X“双子星”闪耀十二年

Maria Santos-Lleo等人　文　Shea　编译

自1999年7月23日和1999年12月10日发射以来，美国宇航局的钱德拉X射线天文台和欧洲空间局的牛顿X射线多镜面望远镜双双在太空中渡过了十二年。

它们互补的观测能力使得天文学家可以获得天体的高分辨率图像并且精确测量宇宙X射线的能量。在首次发现太阳系外X射线源不到50年的时间里，这两架望远镜在灵敏度上的提高堪比在过去的400年中最强大的光学望远镜对人眼的提高。而“钱德拉”和“牛顿”所做出的重大发现也正在改变21世纪的天文学。

[图片说明]：钱德拉X射线天文台。版权：NASA。

通常，宇宙中的X射线都是在极端条件下产生的。例如，中子星和黑洞周围的强引力场和磁场，或者是星系团中的星系际激波。因此对X射线的探测可以告诉我们许多宇宙中极端现象的信息。由于在分辨率和灵敏度上较以往提高了10倍，“钱德拉”和“牛顿”为许多存在已久的问题以及新的开放研究领域带来了希望。

[图片说明]：牛顿X射线多镜面望远镜。版权：ESA。

太阳系天体

通过多种方式，来自太阳的高能粒子与辐射会和行星、卫星以及彗星的大气相互作用会发出X射线。“钱德拉”和“牛顿”已经观测到了来自金星、地球、月亮、火星、木星及其卫星、土星及其光环以及许多彗星的X射线辐射。

电荷交换是太阳系天体产生X射线的一大重要机制。当太阳风中的高能电离原子和中性原子碰撞的时候会俘获电子进入激发态。当它向低能态跃迁的时候就会发出X射线辐射。

彗星的X射线光谱可以用来测量它的气体流失率并且探测太阳风。在“牛顿”和“钱德拉”之前，彗星X射线辐射的成因备受争议。现在观测和理论研究已经证明，太阳风中高度电离的离子和彗星中中性原子的电荷交换碰撞是这些现象的最佳解释。

“钱德拉”和“牛顿”还发现了金星和火星外大气层中电荷交换的X射线辐射，由此也可以从远距离上测量这些行星整体的气体流失率。此外，它们还通过特定的成分对太阳X射线所发出的荧光和散射研究了这些行星的大气。

诸如地球、木星和土星这样具有磁场的行星会通过极光活动来产生X射线。“钱德拉”发现木星产生的X射线会随时间改变。这些X射线极光并非来自原先所预期的紫外极光区，而是来自木星极区附近的高纬度地区。另外，“牛顿”的观测发现，木星极区磁层是一个复杂的电流系统，现有的模型并不能很好地解释观测到的现象。

单颗恒星和恒星形成区

虽然恒星星冕的X射线辐射仅仅是其整个辐射的一小部分，但X射线观测已经证明它是研究恒星磁场活动的理想工具。

在“牛顿”和“钱德拉”之前，来自大质量高温恒星的X射线辐射通常被认为是由于恒星吹出的星风中激波的碰撞所造成的，因此远离恒星的表面。但新的观测显示并非完全如此。

此外，“牛顿”的金牛分子云扩展巡天（XEST）和“钱德拉”的猎户超深场计划（COUP）则致力于研究拥有许多年轻恒星的恒星形成区。

金牛分子云中缺乏大质量的高温、蓝色恒星，它孕育的大多是1个太阳质量左右的低质量恒星。在这一环境下，恒星会孤立或者以非常小的群体的形式形成。金牛分子云中包含有许多金牛T型恒星，它们是仍然处于引力收缩阶段的极为年轻的恒星，代表着类太阳恒星介于原恒星和中年恒星之间的阶段。

XEST的观测显示，金牛T型恒星会发出大量能量较低的X射线。这被认为是它们在吸积周围的物质时由磁场所产生的。

与金牛分子云形成对比的是，猎户星云是恒星成群形成的原型，成百上千的低质量恒星会在大质量恒星周围形成。COUP的图像显示了来自褐矮星、原恒星和恒星的X射线辐射，它们普遍都存在着X射线耀斑。

[图片说明]：“钱德拉”拍摄的猎户星云。版权：NASA/CXC/Penn State/E.Feigelson & K.Getman等人。

类似于太阳表面的耀斑，这些耀斑都是恒星表面磁场重联的结果。成形前的恒星可以产生强烈的耀斑，其强度和出现的频率都是太阳耀斑的100倍。年轻恒星耀斑的X射线也可能控制着着其周围行星盘中的离子，这也许会影响行星的形成以及它们是否适合生命的出现。

超新星遗迹和恒星质量黑洞

大质量恒星的最终阶段是由恒星坍缩而导致的超新星爆发。坍缩过程中释放出的巨大引力能会使得恒星的绝大部分以每秒数千千米的速度被抛射出去，而在其中心则会留下一颗中子星或者黑洞。这一过程也会把重元素播撒到星际空间，这是构成生命的关键。

“钱德拉”、哈勃空间望远镜和斯皮策空间望远镜在不同时期对超新星1987A进行了详尽的观测。当它所发出的激波和周围物质环碰撞的时候就会发出X射线。“钱德拉”11年来的观测数据显示，超新星1987A的膨胀正在减速。

[图片说明]：“钱德拉”（左）和“哈勃”（右）拍摄的超新星遗迹1987A。版权：X射线：NASA/CXC/PSU/S.Park & D.Burrows；可见光：NASA/STScI/CfA/P.Challis。

“钱德拉”和“牛顿”还仔细研究了其他超新星遗迹的温度、化学组成和结构。例如，“钱德拉”对超新星遗迹仙后A的观测预示超新星爆发中存在着湍流混合作用，会把原先位于内部的物质（例如铁）翻到外侧。对仙后A的观测还揭示出了其中一个可能是中子星的点源，这颗中子星的碳大气只有10厘米厚。

[图片说明]：“钱德拉”拍摄的超新星遗迹仙后A。版权：NASA/CXC/SAO/D.Patnaude等人。

和大质量恒星超新星形成鲜明对比的是热核（Ia型）超新星。如果一颗白矮星吸积了过多的物质或者和另一颗白矮星发生碰撞就会引发这一类的超新星爆发。对开普勒超新星遗迹的X射线观测显示它属于Ia型超新星。观测还发现，它的前身星在形成之后大约1亿年的时间里就损失了大约7个太阳质量的物质演化为了一颗白矮星。如此快速地出现Ia型超新星实属罕见。

“钱德拉”和“牛顿”的观测还证明了超新星遗迹是重要的宇宙线加速场所。超新星遗迹RX J1713.7-3946和仙后A中快速变化的X射线辐射暗示电子可能还有离子被极为高效地加速到了高能态。

壳层型的超新星遗迹是由其自身的爆发过程所驱动的。而实心的超新星遗迹，例如蟹状星云，则是由年轻脉冲星吹出的星风所驱动的。“钱德拉”和“牛顿”对它们的观测揭示出了许多的细节。

[图片说明]：“钱德拉”拍摄的蟹状星云。版权：NASA/CXC/SAO/F.Seward等人。

超新星遗迹和脉冲星星风在几千年之后就会变暗，但是如果这颗中子星或者黑洞是双星系统中的一员，那么它通过吸积伴星的物质会再一次成为X射线源。“钱德拉”详细研究了第一个恒星质量黑洞食双星系统M33-X7。这一系统包含了一个已知质量最大的恒星黑洞之一（约16个太阳质量）和一颗质量极为巨大的伴星（约70个太阳质量）。其中黑洞的轨道周期为3.45天而它到伴星的距离只有42个太阳半径，使用通常的恒星演化模型很难解释这些特性。假设黑洞的自转轴和双星系统的轨道面垂直，对光谱的分析就能精确测定出黑洞的自转参数。一个（不带电的）黑洞只需要质量和自转即可描述，这正是300万光年远的这一小行星大小的天体的完全写照。

超大质量黑洞

在星系演化的过程中会形成超大质量黑洞。大量的证据显示，绝大部分的大质量星系都包含有超大质量黑洞。它的质量和宿主星系的核球相关，预示了星系和超大质量黑洞是共同演化的。银河系中心的超大质量黑洞和射电源人马A*重合，具有300万个太阳质量，在除了射电波段以外的波段上都极为暗弱。然而，“钱德拉”和“牛顿”已经探测到了来自人马A*的微弱X射线辐射。这可能是由于物质团块掉入超大质量黑洞而形成的快速X射线爆发。

通过不断地吸积周围的物质或者阶段性的吞噬大量的物质，超大质量黑洞会长大。“牛顿”、“钱德拉”和德国伦琴卫星（ROSAT）在X射线波段以及在可见光和紫外波段对星系RX J1242.6-1119A的观测发现，超大质量黑洞吞噬周围恒星可以解释观测到的持续数月甚至长达数年的X射线爆发。“钱德拉”对星系NGC 6240的观测显示，它的中心存在两个活跃的超大质量黑洞，预计它们会在1亿年内并合。这一发现为星系并合的关键阶段以及超大质量黑洞的生长提供了直接的证据。

[图片说明]：“钱德拉”拍摄的活动星系半人马A，其中心有一个活跃的超大质量黑洞。版权：NASA/CXC/CfA/R.Kraft等人。

X射线观测还为研究超大质量黑洞视界附近的区域提供了有力的工具。“牛顿”对星系MCG-6-30-15中超大质量黑洞的观测显示，其铁发射线只能源于黑洞周围才有的强引力效应。“牛顿”还追踪了星系NGC 3516中央大约3千万个太阳质量的超大质量黑洞视界外物质的运动，为天文学家监测这些黑洞视界周围几光分的区域提供了绝佳的机会。

暗物质和暗能量

在过去的10年中，探测宇宙的组成取得了巨大的进展。基于大量的天文观测建立了宇宙的和谐模型——宇宙中仅有大约4%为普通（重子）物质、23%为暗物质、其余73%为暗能量。X射线观测在其中起到了重要的作用。

“钱德拉”对并合星系团1E 0657-558的观测发现，发出X射线的等离子体的分布有别于整个星系团的物质分布。这为暗物质的存在提供了直接的证据。

[图片说明]：并合星系团1E 0657-558。版权：X射线：NASA/CXC/CfA/M.Markevitch等人；可见光：NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe等人。

在更大的尺度上，哈勃空间望远镜和“牛顿”观测了一个1.6平方度的天区来测量暗物质和重子物质的三维结构。这一大尺度结构包含了一个随着宇宙时间生长的松散丝网结构。会发出X射线的星系团显示暗物质都聚集在这些细丝相交的地方。

“钱德拉”对星系团的观测还使用几种新的特有的方式精确测定了一些宇宙参数。通过测量星系团中的发出X射线的气体质量和总质量之比，“钱德拉”对宇宙暗能量的密度和状态进行了限制，这一结果和通过其他方法得到的相一致并且互补。

展望未来

很难预言“钱德拉”和“牛顿”在未来还会做出什么样的发现并且会产生哪些影响。但是，根据在过去的十二年中所取得的成就，天文学们相信它们更深入、更广的观测会带给我们更多的惊喜。未来的研究将囊括从中子星的亚原子组成到宇宙的大尺度结构的各个层面。

“牛顿”和“钱德拉”还将加强和地面以及其他空间望远镜的合作。例如，使用赫歇尔空间望远镜和阿塔卡玛毫米波大天线阵，综合X射线、红外和毫米波观测对于研究原恒星、年轻恒星和原行星盘而言是至关重要的。联合X射线和微波对遥远星系团的观测将能更好地确定暗能量的参数，它的一大核心目标是通过比较暗能量在宇宙膨胀和结构生长中的作用来检验广义相对论可能存在的失效之处。

也许要不了多久这对X“双子星”就会把又一个“意外”呈献在我们眼前。
（本文已刊载于《太空探索》2010年第07期）

[Nature 2009年12月24日]